【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于電解水析氧領(lǐng)域，尤其涉及一種氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用、氮/鹵素共配位單原子催化劑及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、在日益緊迫的化石能源危機背景下，開發(fā)經(jīng)濟、高效、環(huán)保的綠色能源技術(shù)迫在眉睫。氫能由于其能量密度高和清潔無污染的特點被認(rèn)為是下一代綠色能源之一，但同時也面臨諸多挑戰(zhàn)。電解水分解制氫作為氫能的重要生產(chǎn)方式，由析氧反應(yīng)和析氫反應(yīng)兩個半反應(yīng)組成。其中，陽極側(cè)的析氧反應(yīng)由于涉及到復(fù)雜的四電子-質(zhì)子耦合過程，其緩慢的反應(yīng)動力學(xué)嚴(yán)重制約電解制氫效率，開發(fā)高效的催化劑實現(xiàn)析氧反應(yīng)的低勢壘轉(zhuǎn)化是亟需的。
2、單原子催化劑(sacs)作為催化領(lǐng)域最具前途的研究前沿之一，因其獨特的催化性能、超高的原子效率、有趣的構(gòu)效關(guān)系等優(yōu)點而備受關(guān)注。由于金屬單原子(m)表面能極高，容易遷移團聚，通常熱力學(xué)穩(wěn)定性較差。在大多數(shù)情況下，單原子催化劑的中心金屬原子通過與四個n原子配位牢固地附著在載體材料上，構(gòu)建m-n4構(gòu)型來提高穩(wěn)定性。然而，m-n4位點的高電子/結(jié)構(gòu)對稱性不利于電解水析氧反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移，阻礙了m-n-c單原子催化劑的進(jìn)一步性能優(yōu)化。最近，許多研究致力于摻入非氮(o、p、s、cl等)原子，以提高m-n4對各種化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)的催化活性。由于n原子的電負(fù)性和原子半徑不同，雜原子的引入可以有效地調(diào)控中心金屬原子的電子和幾何結(jié)構(gòu)，從而影響其吸附行為和催化性能。例如，黃明華團隊通過兩步法制備了含有co-n3p1活性位點co單原子催化劑，該催化劑在電解水析氧反應(yīng)中實現(xiàn)了前所未有的催化活性[adv.ma
3、在此，我們提供了一種氮配位-程序升溫控制策略，可以高效、可控制備金屬載量可調(diào)的氮鹵共配位單原子材料，并提供了該材料在電催化水分解析氧領(lǐng)域的應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是緩解現(xiàn)有原子催化劑制備方法存在的不可控且工藝復(fù)雜從而限制其作為催化劑的應(yīng)用的技術(shù)問題，提出一種具有催化活性高、負(fù)載量可控調(diào)節(jié)特點的氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用、氮/鹵素共配位單原子催化劑及其制備方法。
2、為解決所述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
3、本專利技術(shù)一方面公開了一種氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用，所述氮/鹵素共配位單原子催化劑為二維結(jié)構(gòu)，分子式為m-n4x1；所述m選自金屬元素，所述x選自鹵族元素。
4、本專利技術(shù)另一方面公開了一種氮/鹵素共配位單原子催化劑，用于上述的氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用。
5、本專利技術(shù)還公開了上述氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，包括含氮金屬單原子載體制備步驟、第二載體制備步驟、以及氮/鹵共配位單原子催化劑制備步驟；
6、所述氮金屬單原子載體制備步驟包括：將碳源、氮源和金屬融鹽混合均勻后于保護(hù)氣氛下煅燒，得到所述氮金屬單原子載體；所述碳源選自聚丙烯腈、石油瀝青、fcc油漿、減壓渣油、甲醛樹脂中的至少一種；
7、所述氮/鹵共配位單原子催化劑制備步驟包括：將第二載體于保護(hù)氣氛下進(jìn)行一段煅燒，煅燒溫度為200-600℃，煅燒時間為3-12h，煅燒時的升溫速率為0.5-5℃/min。
8、優(yōu)選的，所述第二載體制備步驟包括：將所述氮金屬單原子載體、金屬鹵化物和溶劑混合，分離，得到所述第二載體。
9、優(yōu)選的，所述金屬融鹽選自氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣中的任意一種或至少兩種的組合；所述金屬鹵化物選自鉻鹵鹽、錳鹵鹽、鐵鹵鹽、鎳鹵鹽、銅鹵鹽、鋅鹵鹽、釕鹵鹽、鈀鹵鹽中的任意一種。
10、優(yōu)選的，所述金屬融鹽選自氯化鉀和氯化鈉；所述金屬鹵化物選自鎳鹵鹽；所述氮源選自尿素。
11、優(yōu)選的，所述碳源、所述氮源和所述金屬融鹽的質(zhì)量比為(0.1-1)：(0.1-4)：(0.1-30)。
12、優(yōu)選的，所述氮金屬單原子載體、所述金屬鹵化物和所述溶劑的質(zhì)量比為(0.1-1)：(0.1-1)：(10-100)。
13、優(yōu)選的，所述氮金屬單原子載體制備步驟中，所述將碳源、氮源和金屬融鹽混合均勻后于保護(hù)氣氛下煅燒的煅燒條件為：煅燒溫度為600-1200℃，煅燒時間為1-6h，煅燒時的升溫速率為2-15℃/min。
14、優(yōu)選的，所述第二載體制備步驟中，所述溶劑包括去離子水、甲醇、乙醇、丙醇、甲苯、丙酮、正己烷、環(huán)己烷和n,n-二甲基甲酰胺中的任意一種或至少兩種的組合；混合溫度選自10-100℃，混合時間選自2-24h。
15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果在于：
16、本專利技術(shù)公開了一種氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用，通過對氮/鹵素共配位單原子催化劑結(jié)構(gòu)及組成的限定，實現(xiàn)了氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用，同時保證了催化活性；
17、本專利技術(shù)公開了一種氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，先合成含氮的金屬單原子載體，氮含量在0-30％范圍內(nèi)可調(diào)，載體中豐富的氮元素能夠確保金屬-氮配位的形成，同時采用的金屬熔融鹽能夠顯著提升載體的比表面積，使得氮錨定位點能夠得到充分暴露，有利于提升金屬單原子負(fù)載量；此外，通過控制升溫速率及保溫時間選擇性打破金屬鹵化物中的部分金屬-鹵鍵并且被載體中的氮元素錨定，此方法能夠確保氮/鹵共配位金屬單原子的合成，且金屬單原子負(fù)載量能夠在0-20％范圍內(nèi)可調(diào)，重要的是，本方法無需后續(xù)酸洗去除金屬團聚體的步驟，具有可控性高、工藝簡單且穩(wěn)定性好的特點。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用，其特征在于，所述氮/鹵素共配位單原子催化劑為二維結(jié)構(gòu)，分子式為M-N4X1；所述M選自金屬元素，所述X選自鹵族元素。
2.一種氮/鹵素共配位單原子催化劑，其特征在于，用于權(quán)利要求1所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括含氮金屬單原子載體制備步驟、第二載體制備步驟、以及氮/鹵共配位單原子催化劑制備步驟；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述第二載體制備步驟包括：將所述氮金屬單原子載體、金屬鹵化物和溶劑混合，分離，得到所述第二載體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述金屬融鹽選自氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣中的任意一種或至少兩種的組合；所述金屬鹵化物選自鉻鹵鹽、錳鹵鹽、鐵鹵鹽、鎳鹵鹽、銅鹵鹽、鋅鹵鹽、釕鹵鹽、鈀鹵鹽中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述碳源、所述氮源和所述金屬融鹽的質(zhì)量比為(0.1-1)：(0.1-4)：(0.1-30)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述氮金屬單原子載體、所述金屬鹵化物和所述溶劑的質(zhì)量比為(0.1-1)：(0.1-1)：(10-100)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述氮金屬單原子載體制備步驟中，所述將碳源、氮源和金屬融鹽混合均勻后于保護(hù)氣氛下煅燒的煅燒條件為：煅燒溫度為600-1200℃，煅燒時間為1-6h，煅燒時的升溫速率為2-15℃/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述第二載體制備步驟中，所述溶劑包括去離子水、甲醇、乙醇、丙醇、甲苯、丙酮、正己烷、環(huán)己烷和N,N-二甲基甲酰胺中的任意一種或至少兩種的組合；混合溫度選自10-100℃，混合時間選自2-24h。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用，其特征在于，所述氮/鹵素共配位單原子催化劑為二維結(jié)構(gòu)，分子式為m-n4x1；所述m選自金屬元素，所述x選自鹵族元素。
2.一種氮/鹵素共配位單原子催化劑，其特征在于，用于權(quán)利要求1所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑在電解水析氧中的應(yīng)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括含氮金屬單原子載體制備步驟、第二載體制備步驟、以及氮/鹵共配位單原子催化劑制備步驟；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述第二載體制備步驟包括：將所述氮金屬單原子載體、金屬鹵化物和溶劑混合，分離，得到所述第二載體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述金屬融鹽選自氯化鉀、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣中的任意一種或至少兩種的組合；所述金屬鹵化物選自鉻鹵鹽、錳鹵鹽、鐵鹵鹽、鎳鹵鹽、銅鹵鹽、鋅鹵鹽、釕鹵鹽、鈀鹵鹽中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮/鹵素共配位單原子催化劑的制備方法，其特征在于，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：智林杰，曹風(fēng)亮，曹志勝，薛松，
申請(專利權(quán))人：中國石油大學(xué)華東，
類型：發(fā)明
國別省市：
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